Les biotechnologies blanches, économiques et écologiques

Dossier : Les biotechnologies, industries majeures du XXIe siècleMagazine N°642 Février 2009
Par Michaël KREL (97)

REPÈRES
On classe sou­vent les bio­tech­no­lo­gies sui­vant leur domaine d’activité : bio­tech­no­lo­gies rouges pour la pro­duc­tion phar­ma­ceu­tique, vertes pour l’amélioration des plantes et des graines, bleues pour ce qui est lié au domaine marin et blanches pour la pro­duc­tion indus­trielle non phar­ma­ceu­tique. Cet article se can­tonne à cette der­nière catégorie.

Les bio­tech­no­lo­gies » blanches » ont connu un essor qua­si­ment sans pré­cé­dent dans l’his­toire indus­trielle mon­diale entre la fin des années soixante-dix et aujourd’­hui. Cela est dû à deux phé­no­mènes conco­mi­tants et tota­le­ment indé­pen­dants : la prise de conscience de la dépen­dance de nos socié­tés au pétrole et ses déri­vés (dou­lou­reuse prise de conscience liée aux crises de 1973 et 1979) et le déve­lop­pe­ment des com­pé­tences en bio­lo­gie molé­cu­laire et en génie géné­tique à un niveau com­mer­cial (les pre­mières start-ups amé­ri­caines dans ces domaines, Genen­cor et Gene­tech, se déve­loppent dès la fin des années soixante-dix).

Choc pétrolier et bioéthanol

Les atouts du Brésil
Après les deux chocs pétro­liers, le Bré­sil a déci­dé d’u­ti­li­ser ses for­mi­dables atouts que sont la super­fi­cie de ses terres arables et ses condi­tions cli­ma­tiques pour déve­lop­per un pro­gramme de pro­duc­tion à très grande échelle d’é­tha­nol en rem­pla­ce­ment de l’essence.
Ce pro­gramme a tel­le­ment bien fonc­tion­né que, d’une pro­duc­tion syn­thé­tique d’é­tha­nol à 100 %, on est pas­sé en vingt ans à une pro­duc­tion syn­thé­tique infé­rieure à 5 % (le reste étant de l’é­tha­nol bio­sour­cé), ce qui a même mené à cette situa­tion ubuesque où main­te­nant une des majeures appli­ca­tions de l’é­tha­nol syn­thé­tique est l’al­cool de consom­ma­tion (par exemple dans le whisky).

Le sym­bole incon­tes­té de cette intru­sion des bio­pro­cé­dés dans l’in­dus­trie chi­mique est la pro­duc­tion d’é­tha­nol. Bien enten­du, l’homme sait pro­duire de l’é­tha­nol par fer­men­ta­tion depuis des mil­lé­naires mais, jus­qu’a­près la Seconde Guerre mon­diale, la grande majo­ri­té des volumes d’é­tha­nol uti­li­sés dans le monde (notam­ment toutes les appli­ca­tions » inter­mé­diaires de syn­thèse ») était issue de l’hy­dra­ta­tion de l’éthylène.

Cette situa­tion a été tota­le­ment bou­le­ver­sée par le déve­lop­pe­ment et l’u­ti­li­sa­tion de » bioé­tha­nol » et ce, notam­ment au Brésil.

Aujourd’­hui, trois phé­no­mènes expliquent le déve­lop­pe­ment expo­nen­tiel du bioé­tha­nol et des bio­car­bu­rants de manière géné­rale : d’une part le retour à un pétrole cher (après avoir atteint un pic à près de 150 dol­lars le baril l’é­té der­nier, nous sommes reve­nus à une situa­tion inver­sée, mais il est pro­bable qu’elle va s’é­qui­li­brer à terme avec les fon­da­men­taux du mar­ché pétro­lier), d’autre part une volon­té poli­tique de plus en plus impor­tante de cer­tains États comme les États-Unis, la Chine ou l’Inde d’as­su­rer leur indé­pen­dance éner­gé­tique vis-à-vis des pays pro­duc­teurs de pétrole et enfin une prise de conscience socié­tale de la néces­si­té d’a­voir une alter­na­tive au » tout pétrole « .

Maïs contre canne à sucre

Ces élé­ments ont ame­né depuis une dizaine d’an­nées à un déve­lop­pe­ment gigan­tesque de la pro­duc­tion d’é­tha­nol en Amé­rique (et par­ti­cu­liè­re­ment au Bré­sil et aux USA). Les situa­tions de ces deux pays, même si elles sont sou­vent com­pa­rées, ne sont pas du même ordre.

L’é­tha­nol de deuxième génération

De nom­breux pro­jets de recherches et d’u­ni­tés pilotes existent mais à ce jour aucun pro­cé­dé com­mer­cial à grande échelle n’a été pré­sen­té. Il faut bien com­prendre que l’é­tha­nol cel­lu­lo­sique ne per­met­tra pas une ren­ta­bi­li­té supé­rieure aux pro­cé­dés exis­tants (notam­ment à base de canne à sucre), mais répon­dra aux pro­blèmes d’ac­ces­si­bi­li­té de matières pre­mières et donc aux ques­tions d’in­dé­pen­dances éner­gé­tiques, d’où ces inves­tis­se­ments colossaux.

Le prix du maïs a dou­blé en dix-huit mois.


D’un point de vue éco­no­mique, le coût de pro­duc­tion de l’é­tha­nol à par­tir de canne à sucre est très faible et com­pé­ti­tif vis-à-vis du pétrole, notam­ment grâce à la cogé­né­ra­tion d’élec­tri­ci­té, en brû­lant la bagasse, et à l’ef­fi­ca­ci­té de la pho­to­syn­thèse dans la canne à sucre. Aux États-Unis, où l’é­tha­nol est pro­duit à base de maïs, le pro­cé­dé n’est pas com­pé­ti­tif dans le domaine des car­bu­rants et est pro­té­gé (soit par des aides directes, soit par des quo­tas impo­sés aux pétro­liers, soit par des bar­rières doua­nières impor­tantes). Cet état de fait s’est mon­tré encore plus criant quand le prix du maïs à la bourse de Chi­ca­go a dou­blé en dix-huit mois (de 149 à 281 dol­lars la tonne entre jan­vier 2007 et mi-2008).

L’abondance de terres culti­vables au Bré­sil per­met une aug­men­ta­tion de la pro­duc­tion d’éthanol

D’un point de vue indé­pen­dance éner­gé­tique, le Bré­sil est aujourd’­hui à la fois très lar­ge­ment expor­ta­teur d’é­tha­nol et pos­sède un mar­ché domes­tique très dyna­mique (depuis mi-2005, les ventes de véhi­cules flex fuel repré­sentent plus de 50 % des ventes de véhi­cules par­ti­cu­liers). L’a­bon­dance de terres culti­vables (hors réserves natu­relles et Ama­zo­nie) per­met une aug­men­ta­tion encore astro­no­mique de la pro­duc­tion d’é­tha­nol (dou­ble­ment pré­vu d’i­ci 2015), seules 1 % des terres culti­vables au Bré­sil étant attri­buées à la culture de la canne. Aux États-Unis, la demande en car­bu­rant étant beau­coup plus impor­tante et les terres arables non uti­li­sées beau­coup plus res­treintes, la ques­tion de l’in­dé­pen­dance éner­gé­tique ne peut se conce­voir que dans le déve­lop­pe­ment de l’é­tha­nol de » seconde géné­ra­tion » c’est-à-dire à par­tir de cel­lu­lose et autres déchets agricoles.

Enfin, si on com­pare les émis­sions de CO2 liées à l’é­tha­nol amé­ri­cain à base de maïs et à l’é­tha­nol bré­si­lien à base de canne à sucre, on observe que le car­bu­rant bré­si­lien est très effi­cace en termes de réduc­tion d’é­mis­sion vis-à-vis de l’es­sence, ce qui est beau­coup moins mar­qué avec l’é­tha­nol amé­ri­cain, créant de nom­breux débats et contro­verses sur l’u­ti­li­sa­tion de ces biocarburants.

Ces dif­fé­rentes consi­dé­ra­tions poli­tiques et sociales et les amé­lio­ra­tions des tech­no­lo­gies de pro­duc­tion semblent mon­trer un inexo­rable avè­ne­ment des pro­cé­dés de bio­pro­duc­tion et notam­ment des pro­cé­dés fer­men­taires dans le domaine des carburants.

Les produits de commodité

Quels sont les dif­fi­cul­tés, les avan­tages et les incon­vé­nients de la pro­duc­tion fer­men­taire de pro­duits dits de com­mo­di­té (c’est-à-dire des pro­duits com­bi­nant de larges volumes, des prix modé­rés et des appli­ca­tions et mar­chés déjà bien éta­blis) ? On peut les illus­trer par le cas du n‑butanol, pro­duit déve­lop­pé au sein de METa­bo­lic EXplo­rer, et qui est une impor­tante » com­mo­di­té » chi­mique, avec un mar­ché mon­dial de l’ordre de 3 mil­lions de tonnes par an et des appli­ca­tions dans les acry­lates, les acé­tates et les éthers de glycols.

La pétro­chi­mie
La ten­dance obser­vée pour les car­bu­rants se véri­fie aus­si dans une autre par­tie de l’ac­ti­vi­té pétro­lière : la pétrochimie.
Entre 7 et 10 % du volume de pétrole extrait est uti­li­sé aujourd’­hui dans la chaîne pétro­chi­mique depuis le cra­ckage d’é­thy­lène et de pro­py­lène jus­qu’à la syn­thèse d’en­grais ou de poly­mères de spé­cia­li­té à haute valeur ajoutée.
Dans ce domaine, la pro­blé­ma­tique se pose de manière quelque peu dif­fé­rente : si l’in­té­rêt socié­tal pour un pro­duit bio­sour­cé se tra­duit par une dif­fé­ren­cia­tion dans l’ac­cès au mar­ché, la ques­tion de l’in­dé­pen­dance en termes de res­sources ne se pose pas.
Enfin, l’as­pect éco­no­mique joue encore un rôle impor­tant puisque avec l’aug­men­ta­tion du prix des matières pre­mières liées au pétrole (comme l’é­thy­lène ou le pro­py­lène) qui repré­sente à peu près 70 % du coût de pro­duc­tion d’un pro­duit chi­mique de com­mo­di­té, les bio­pro­cé­dés deviennent com­pé­ti­tifs voire plus per­for­mants économiquement.

Souche bactérienne et procédé de fermentation

Une com­bi­nai­son compétitive
La com­bi­nai­son d’une souche per­for­mante (c’est-à-dire qui pro­duit rapi­de­ment et tolère beau­coup du pro­duit dési­ré tout en géné­rant peu de copro­duits) et d’un pro­cé­dé effi­cace (c’est-à-dire peu gour­mand en éner­gie et en inves­tis­se­ments » spé­ciaux » et donc coû­teux) va per­mettre d’at­teindre un pro­cé­dé de pro­duc­tion fer­men­taire du buta­nol com­pé­ti­tif des pro­cé­dés clas­siques issus de la pétrochimie.

Le déve­lop­pe­ment et l’a­mé­lio­ra­tion des souches bac­té­riennes sont un concept vieux comme le monde avec des tech­niques de sélec­tion natu­relle et de pres­sion de sélec­tion (c’est-à-dire que seules les bac­té­ries les plus per­for­mantes sur­vivent). Dans les années vingt déjà, des uni­tés de pro­duc­tions indus­trielles pro­dui­saient du buta­nol en mélange avec de l’a­cé­tone et de l’é­tha­nol (pro­cé­dé ABE ou Weizmann).

L’ap­port essen­tiel de ces der­nières années réside dans le concept de » desi­gn ration­nel » puis­qu’on est capable aujourd’­hui de com­prendre de manière qua­si exhaus­tive les voies méta­bo­liques qui mènent d’un sub­strat comme du sucre à un pro­duit comme le butanol.

Com­prendre les voies méta­bo­liques qui mènent d’un sub­strat comme le sucre à un pro­duit comme le butanol

On est alors capable de com­prendre, comme dans une usine, où sont les gou­lots d’é­tran­gle­ments, où sont les voies sans issue et où sont les fuites qui empêchent une pro­duc­tion opti­male. Fort de cette connais­sance, on peut alors élar­gir ces gou­lots, col­ma­ter ces fuites et éli­mi­ner ces voies sans issue grâce à de l’in­gé­nie­rie méta­bo­lique afin de construire une souche bac­té­rienne opti­male pour la pro­duc­tion de buta­nol à par­tir de sucre.

Les pro­blèmes de pro­cé­dés ren­con­trés dans la fer­men­ta­tion sont intrin­sè­que­ment dif­fé­rents de ceux exis­tant dans l’in­dus­trie chi­mique » classique « .

Là où dans la chi­mie clas­sique, on a sou­vent des pro­cé­dés à ren­de­ments très impor­tants, dans des condi­tions de tem­pé­ra­tures et de pres­sions éle­vées, dans des milieux concen­trés sans eaux, les pro­cé­dés fer­men­taires se passent avec des ren­de­ments plus modé­rés (car la bac­té­rie uti­lise de l’éner­gie pour sur­vivre), dans des condi­tions bio­lo­giques de tem­pé­ra­ture et de pres­sion (autour de 1 bar et de 37 °C) et dans des milieux aqueux et sou­vent assez dilués. L’ex­trac­tion du pro­duit de l’eau et sa puri­fi­ca­tion sont alors des élé­ments déter­mi­nants dans les éco­no­mies du procédé. 

Investissement et matière première

Les inves­tis­se­ments dans une uni­té de fer­men­ta­tion se décom­posent fon­da­men­ta­le­ment en deux : d’une part ceux liés à la fer­men­ta­tion et d’autre part ceux liés à la puri­fi­ca­tion. Les pre­miers vont être influen­cés par le ren­de­ment et la pro­duc­ti­vi­té de la bac­té­rie ain­si que par l’op­ti­mi­sa­tion du pro­cé­dé de fer­men­ta­tion. Les der­niers vont être liés au titre (c’est-à-dire à la concen­tra­tion maxi­male de pro­duit dans l’eau) et au pro­cé­dé choi­si pour extraire le buta­nol de l’eau.

Acces­si­bi­li­té et transport
Mal­gré les évo­lu­tions récentes des prix des matières pre­mières agri­coles, celles-ci res­tent (en termes de » prix de car­bone ») très com­pé­ti­tives par rap­port au prix du pétrole et même du charbon.
C’est notam­ment le cas du sucre de canne qui est res­té rela­ti­ve­ment stable par rap­port aux autres matières premières.
C’est cet effet prin­ci­pal qui per­met aux pro­cé­dés fer­men­taires d’être com­pé­ti­tifs vis-à-vis des pro­cé­dés chi­miques classiques.
Ces matières pre­mières ont l’a­van­tage d’être beau­coup plus régu­liè­re­ment acces­sibles autour du globe et dans des pays à faibles risques poli­tiques, mais elles sont en revanche plus dif­fi­ci­le­ment trans­por­tables et sto­ckables, ce qui pose le pro­blème de logis­tique pour l’ap­pro­vi­sion­ne­ment de très grosses uni­tés fermentaires.

Mal­gré des per­for­mances » appa­rentes » (ren­de­ment et concen­tra­tion) infé­rieures au pro­cé­dé clas­sique pétro­chi­mique, les inves­tis­se­ments dans un pro­cé­dé fer­men­taire sont géné­ra­le­ment infé­rieurs à ceux de la chi­mie du fait des condi­tions que doivent sup­por­ter les réac­teurs dans la pétro­chi­mie (qui impliquent des aciers spé­ciaux, plus épais…).

Un deuxième effet vient accen­tuer ce ticket d’en­trée plus faible dans la fer­men­ta­tion, c’est la taille d’efficience.

On sait bien que, pour tout pro­cé­dé, l’aug­men­ta­tion d’é­chelle per­met d’a­mé­lio­rer l’ef­fi­ca­ci­té d’un pro­cé­dé jus­qu’à arri­ver à une taille mini­male effi­ciente où cela a un sens indus­triel et éco­no­mique. Or cette taille est beau­coup plus impor­tante pour la pétro­chi­mie que pour la fer­men­ta­tion ce qui a pour effet d’aug­men­ter la dif­fé­rence pour un nou­vel entrant entre un inves­tis­se­ment fer­men­taire et un inves­tis­se­ment chi­mique (qui peut aller jus­qu’à un fac­teur 4).

Le prix du pétrole, dont la ten­dance devrait à terme res­ter glo­ba­le­ment à la hausse, entraîne méca­ni­que­ment à la hausse le prix du pro­py­lène, matière pre­mière pour la pro­duc­tion du butanol.

Comme dans la majo­ri­té des pro­duits de chi­mie de com­mo­di­té, la part des matières pre­mières dans le coût de pro­duc­tion totale repré­sente entre 60 et 70 %. On com­prend alors l’im­por­tance d’a­voir accès à des matières pre­mières peu coûteuses.

Pétrole contre nourriture

Les dif­fi­cul­tés tech­niques liées aux bio­pro­cé­dés peuvent être sur­mon­tées, l’on peut déve­lop­per des pro­cé­dés très effi­caces à par­tir de matières pre­mières renou­ve­lables pour fabri­quer à des coûts com­pé­ti­tifs des pro­duits de com­mo­di­té. Mais qu’en est-il du débat actuel sur l’aug­men­ta­tion du prix des matières pre­mières agri­coles du fait des bio­car­bu­rants, pro­blé­ma­tique dite du fuel ver­sus food ? En d’autres termes, nos socié­tés accep­te­ront-elles à moyen terme le déve­lop­pe­ment de ces bio­pro­cé­dés fer­men­taires pour les com­mo­di­tés chi­miques si le prix de la nour­ri­ture doit augmenter ?

Les inves­tis­se­ments dans un pro­cé­dé fer­men­taire sont infé­rieurs à ceux de la chimie

Si cette pro­blé­ma­tique a une réelle per­ti­nence dans la pro­duc­tion de bio­car­bu­rants (en dehors de tout extré­misme par­ti­san dans un sens comme dans l’autre), elle ne l’est pas, pour au moins trois rai­sons, dans le domaine des commodités.

D’une part le volume de matières pre­mières dont nous avons besoin pour rem­pla­cer les pro­cé­dés chi­miques est sans com­mune mesure avec celui néces­saire pour les bio­car­bu­rants. Par exemple, avec des pro­cé­dés non opti­mi­sés du début du XXe siècle, il fau­drait 10 mil­lions de tonnes de sucre pour rem­pla­cer 100 % de la pro­duc­tion de buta­nol (le Bré­sil pro­duit aujourd’­hui plus de 40 mil­lions de tonnes de sucre majo­ri­tai­re­ment à des fins non ali­men­taires) ; d’autre part, la valeur ajou­tée dans la pétro­chi­mie est beau­coup plus impor­tante que dans les car­bu­rants ce qui veut dire que des matières pre­mières plus coû­teuses peuvent être uti­li­sées dans le rem­pla­ce­ment de la pétro­chi­mie ; enfin, de nom­breux déve­lop­pe­ments aujourd’­hui se concentrent sur l’u­ti­li­sa­tion de maté­riaux renou­ve­lables non ali­men­taires (bagasse, pulpe de bois, jatro­pha, etc.), qui per­met­traient de lever défi­ni­ti­ve­ment ce débat.

Quoi qu’il arrive dans le domaine des bio­car­bu­rants, le déve­lop­pe­ment de la bio­tech­no­lo­gie blanche va se pour­suivre, répon­dant à la double néces­si­té d’être effi­cace éco­no­mi­que­ment et éco­lo­gi­que­ment. D’i­ci quelques années la majeure par­tie des uti­li­sa­tions non éner­gé­tiques du pétrole pour­rait être rem­plie par des com­po­sés bio­sour­cés sans remettre en cause l’é­qui­libre ali­men­taire de la pla­nète et en amé­lio­rant son empreinte écologique.

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